LED材料特性檢測(cè)技術(shù)——PL技術(shù)

前言

　　近年來(lái)，由于白光LED無(wú)論在發(fā)光效率、功耗、壽命和環(huán)保等方面都具備傳統(tǒng)光源無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，使得白光LED逐漸取代白熾燈泡和日光燈，又隨著各國(guó)政府紛紛宣布并提出禁用白熾燈泡的時(shí)間表，更加加速了這個(gè)趨勢(shì)。

　　以白光LED的產(chǎn)生的機(jī)制可分為叁種如圖1所示，（a）由日亞化工所提出的將藍(lán)光磊芯片再加上Nd-YAG螢光體轉(zhuǎn)換為白光LED［1，2］。（b）用紫光磊芯片加上RGB叁色螢光體轉(zhuǎn)換為白光LED，目前仍在實(shí)驗(yàn)階段。［3-5］（c）使用RGB叁種磊芯片混成白光LED［6，7］。目前市面上產(chǎn)品多以藍(lán)光磊芯片再加上Nd-YAG螢光體轉(zhuǎn)換為白光LED為主，所以如何提高藍(lán)光磊芯片的發(fā)光效率對(duì)白光LED的發(fā)展而言至關(guān)重要。

　　圖1 白光LED的產(chǎn)生的機(jī)制（a）Blue LED+YAG Phosphor（b）UV LED+RGB Phosphor（c）RGB LED

　　半導(dǎo)體LED的發(fā)光效率取決于材料本身的特性，當(dāng)LED注入額外載子后，額外載子的復(fù)合分為輻射復(fù)合（能帶的額外載子復(fù)合后發(fā)出光）與非輻射復(fù)合（聲子復(fù)合放出熱與歐杰復(fù)合）兩個(gè)機(jī)制，另外能帶間的缺陷能階亦會(huì)捕捉額外載子，降低額外載子復(fù)合的機(jī)會(huì)。因此近幾年來(lái)許多研究團(tuán)隊(duì)為了研究如何提高LED的發(fā)光效率，紛紛借由螢光量測(cè)技術(shù)分析探討其發(fā)光機(jī)制。

　　螢光發(fā)光機(jī)制

　　螢光是一種電磁輻射放射的現(xiàn)象。對(duì)于任何材料而言，入射光子能量等于或是超過(guò)能帶時(shí)，便會(huì)激發(fā)價(jià)電帶電子跨過(guò)能帶到達(dá)導(dǎo)電帶，當(dāng)激發(fā)態(tài)的電子由導(dǎo)電帶回到價(jià)電帶時(shí)便會(huì)產(chǎn)生輻射放射，產(chǎn)生過(guò)程主要分為叁個(gè)階段如圖2所示。（a）為激發(fā)，額外載子的產(chǎn)生與激發(fā)（b）為能量釋放和復(fù)合，激發(fā)態(tài)的額外載子之能量釋放并復(fù)合（c）為螢光產(chǎn)生，復(fù)合后產(chǎn)生的螢光光子訊號(hào)。

　　圖2 螢光產(chǎn)生過(guò)程

　　其中產(chǎn)生螢光之方式大致分為兩類(lèi)，分別為以高于或等于能隙能量之光子照射樣品來(lái)產(chǎn)生額外載子，或以電子注入之方式增加載子濃度以增加螢光光子產(chǎn)生之機(jī)率，借此提升量測(cè)螢光訊號(hào)之強(qiáng)度。此兩類(lèi)方式分別稱(chēng)為光激發(fā)螢光（photoluminescence，以下簡(jiǎn)稱(chēng)PL）及電激發(fā)螢光，LED的發(fā)光塬理便為電激發(fā)螢光，然而電激發(fā)螢光的量測(cè)必須嵌入電極，這就表示在嵌入電極之前的制程中必須使用光激發(fā)螢光做量測(cè)。

　　自從雷射可用來(lái)提供足夠的功率激發(fā)訊號(hào)后［8］，入射光便開(kāi)始使用雷射光源。當(dāng)激發(fā)態(tài)電子回到基態(tài)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)光子，也可能產(chǎn)生許多的聲子。假設(shè)使用的光源為連續(xù)波，以此激發(fā)的螢光，可當(dāng)作穩(wěn)態(tài)，試片受到光源照射而連續(xù)地發(fā)出螢光［9］，雷射光譜與激發(fā)之螢光光譜如圖 3. 。

　　圖3 雷射與激發(fā)之螢光光譜圖

　　如圖4由Alexander Jablonski所提出的Jablonski energy diagram ［10］中可知，入射光的吸收和入射光子的波長(zhǎng)亦即能量有關(guān)，故材料的吸收和入射光源的波長(zhǎng)有關(guān)。

　　圖4 Jablonski energy diagram ［10］

　　當(dāng)樣品吸收了入射光后將電子激發(fā)到更高的能態(tài)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，電子將釋放能量至較低的能態(tài)。雜質(zhì)與缺陷會(huì)在能隙之中形成各種能階，而其對(duì)應(yīng)的能量會(huì)由輻射復(fù)合過(guò)程產(chǎn)生放射如光激發(fā)螢光，或者是經(jīng)由非輻射復(fù)合過(guò)程產(chǎn)生吸收［8］［11］，如聲子放射，缺陷捕捉，或歐杰效應(yīng)［12］。

　　除了上述中導(dǎo)電帶與價(jià)電帶等能帶轉(zhuǎn)換會(huì)發(fā)出螢光，缺陷也會(huì)造成螢光的產(chǎn)生，如圖5所示。其中EC、EV和ED分別為導(dǎo)電帶、價(jià)電帶與缺陷能帶，其中，缺陷能帶分布在EC與EV之間，位置與數(shù)量視材料品質(zhì)而定，圖 5中（a）為能帶間的電子電洞對(duì)復(fù)合，（b）和（c）都屬于缺陷的復(fù)合，（b）為導(dǎo)電帶的電子被能帶間的缺陷捕捉，（c）為缺陷捕獲的電子與價(jià)電帶電動(dòng)復(fù)合，發(fā)出的螢光波段視電子與電洞復(fù)合前能帶的距離而定。

　　圖5 輻射復(fù)合（a）能帶間的電子電洞對(duì)復(fù)合（b）若能帶間有缺陷電子會(huì)被缺陷捕捉（c）缺陷捕獲的電子與價(jià)電帶電動(dòng)復(fù)合

　　光激發(fā)螢光量測(cè)

　　PL光譜儀主要架構(gòu)有激發(fā)源、訊號(hào)接收器（spectrometer）、訊號(hào)處理器（computer）與低溫系統(tǒng)，架構(gòu)圖如圖6。

　　圖6 PL光譜儀架構(gòu)圖

　　由于藍(lán)光LED能帶約在2.75 eV左右，激發(fā)源選用波長(zhǎng)為325 nm（能量為3.8 eV）、375 nm（能量為3.3 eV）與405 nm（能量為3 eV） 大于其能帯之雷射，光譜儀掃描范圍在350 nm到700 nm之間，另外由于溫度對(duì)輻射復(fù)合的螢光強(qiáng)度有很大的影響，量測(cè)環(huán)境必須做溫度控制。以量測(cè)藍(lán)光LED為例，PL螢光光譜圖如圖7，激發(fā)源為波長(zhǎng)405 nm雷射，藍(lán)光LED波峰位置在461 nm，半高寬為25.2 nm。

　　圖7 PL螢光光譜圖

　　PL導(dǎo)入LED材料分析的優(yōu)勢(shì)

　　因PL快速量測(cè)的特性可適應(yīng)LED產(chǎn)線上的生產(chǎn)速度，且以非接觸與非破壞性的量測(cè)可確保樣品不會(huì)在量測(cè)的過(guò)程中改變塬本的特性，配合mapping技術(shù)或?qū)⒂嵦?hào)接收器改為CCD，可得到樣品空間分布的特性，得知制程的均勻性以回饋MOCVD的制程，于量測(cè)時(shí)不需電極可監(jiān)控制成過(guò)程中每一個(gè)步驟的變化，此為PL量測(cè)技術(shù)導(dǎo)入LED Wafer產(chǎn)線的優(yōu)勢(shì)。

　　于LED元件設(shè)計(jì)及驗(yàn)證方面，以藍(lán)光LED常用的材料氮化銦鎵為例，由于在晶格常數(shù)與能階寬度圖中，連接氮化鎵與氮化銦兩點(diǎn)的拋物曲線便是氮化銦鎵，隨著氮化銦鎵中的銦含量增加，其能階寬度變小［13，14］，所以可由PL螢光光譜波峰的位置，得知氮化銦鎵中的銦含量，可借由調(diào)變激發(fā)源的雷射強(qiáng)度與量測(cè)螢光光譜強(qiáng)度可擬合出LED發(fā)光效率的相關(guān)系數(shù)，進(jìn)而求出LED的內(nèi)部發(fā)光效率以提供元件設(shè)計(jì)之驗(yàn)證，量測(cè)時(shí)不需電極，在制程時(shí)任一步驟，皆可調(diào)變制程參數(shù)，或選用不同制程方式，比較PL螢光光譜以?xún)?yōu)化出最佳制程條件等優(yōu)勢(shì)。

　　結(jié)論

　　PL為一快速、非接觸性、非破壞性之可量測(cè)樣品空間分布的量測(cè)技術(shù)，無(wú)論在產(chǎn)品的量產(chǎn)和開(kāi)發(fā)上都有很好應(yīng)用。